Раздел 1 источники тепловой энергии

 

Тема 1.1 Топливо и его сжигание

ТОПЛИВО  – это группа веществ, которая при нагревании в присутствии кислорода активно окисляется (сгорает) с выделением значительного количества тепла.

Топливо – это основной источник тепловой энергии для металлургических печей.

 

 

Таблица 1-Классификация топлива

Агрегатное  состояние	Происхождение
	естественное	искусственное
Твёрдое	Дрова, торф, горючие сланцы, каменный уголь	Кокс,  угольная пыль, древесный уголь
Жидкое	Нефть	Бензин, керосин, мазут, каменноугольная смола
Газообразное	Природный газ	Генераторный газ, коксовый газ, доменный газ

 

Топливо обычно имеет органическое происхождение, поэтому основными его составляющими являются углерод и водород, которые находятся в топливе в виде различных соединений.

В состав топлива обычно входят   кислород, азот, сера. Кроме того, в топливе всегда участвуют зола (А) и вода (W).

 

Химический состав топлива: C H O N S A W.

 

C - наиболее важная составляющая часть топлива.

Основное количество тепла выделяется при сгорании углерода:

C + O₂ = CO₂↑.

Углерод   в топливе содержится в количестве 80 – 90 %.

H – важная часть топлива, но присутствует в меньшем количестве.

Теплота сгорания его больше (выше) чем у углерода.

О – содержится в твердом и жидком топливе в связанном состоянии (0,5 – 2%)

N – содержится в топливе в незначительном количестве. При горении он не окисляется, а переходит в дымовые газы в виде свободного азота.

S – в топливе находится в виде органических соединений (сульфидов, сульфатов). При горении серы  выделяется значительное тепло. Содержание серы  в топливе нежелательно вследствие загрязнения атмосферы и изделий сернистыми продуктами.

А – твердый, негорючий остаток, получаемый после полного сжигания топлива. Является баластом, снижает его ценность и качество.

W – является баластом топлива, снижающим качество топлива, поэтому в ряде случаев топливо сушат. Различают внешнюю влагу, которую удаляют при сушке без подогрева (воздушная сушка), и внутреннюю влагу (гигроскопическая), удаляемую при нагреве до 100°. Незначительное количество влаги в топливе полезно – это ускоряет процесс горения.

Технический анализ

При приеме топлива обычно производится его технический анализ на содержание влаги, золы и летучих соединений, а также оценка внешнего вида твердого остатка после проводимой в процессе анализа сухой перегонки топлива.

Сухой перегонкой называется нагрев топлива без доступа воздуха, в результате которого топливо разлагается на летучие и твердый остаток – кокс.

Химический анализ

Химический анализ топлива можно выполнять как по элементарному составу (1),так и путем определения содержания в топливе определенных химических соединений (2).

(1) – для твердого и жидкого топлива.

(2) – для газообразного топлива.

Метод

Элементарным анализом находят содержание основных элементов (C, H, N, S; W, A) в процентах, причём кислород определяют по разности вычитанием из 100% всех основных компонентов:

O = 100 – (C +H + N + S + W + A).

На практике обычно пользуются другим выражением:

C + H +О + N + S + W + A = 100%.

C + H + O + N – органическая масса топлива «О».

C + H + O + N + S – горючая масса топлива «Г».

C + H + O + N + S + A – сухая масса топлива «С».

C + H + O + N + S + A + W – рабочая масса топлива «Р».

Для пересчета состава топлива из одной массы в другую будем пользоваться таблицей 2.

Таблица 2

Заданная масса	Масса топлива, в которую пересчитывают
	органическая	горючая	сухая	рабочая
Органическая	1
Горючая		1
Сухая			1
Рабочая				1

 

Задача.

Определить состав рабочего топлива по заданному его элементарному составу.

Дано: С^о = 80%; О^о = 9%; Н^о = 8%; N^o = 3%; S^c = 1,5%; A^c = 10%; W^P = 2%.

Найти: рабочую массу топлива (р.м.т.).

Решение:

Так как нужно определить состав рабочего топлива  → определим содержание S и A в  р.т.:

Þ

Þ

Проверка:

С + H + O + N + S + A + W =100%;

69,384 + 6,9384 + 7,8057 + 2,6019 + 1,47 + 9,8 + 2 = 100(%).

Ответ: рабочая масса топлива =100%.

 

Задача 2.

Дано: С^г = 89%; О^г = 2%; Н^г = 4%; N^г = 2%; S^г = 3%; A^c = 10%; W^P = 12%.

Найти: р.м.т.

Решение:

Так как нужно определить состав р.т. → определим содержание S и A в р.т:

Þ

Þ

Проверка:

С + H + O + N + S + A + W =100%;

70,488 + 3,168 + 1,584 + 1,584 + 2,376 + 8,8 + 12 = 100%.

Ответ: рабочая масса топлива =100%.

 

Метод

Второй метод анализа предназначен  для газообразного топлива.

Газообразное топливо состоит из смеси газообразных соединений: CO₂; H₂; CH₄; C₂H₄; C_mH_n; H₂S; CO; H₂O; N₂ и других.

 

Содержание перечисленных составляющих в объемных долях процента определяются специальным газовым анализом:

 

N₂ = 100 – (CO₂ + CO + H₂ + C_mH_n + …).

 

Для пересчета рабочего топлива следует содержание влаги (г/см³) пересчитать на объем при нормальных условиях, приходящихся на 100 м³ сухого газа по формуле:

 

 0, 1242 ∙W, (м³).

 

Если состав сухого газа:

 

CO^c₂ + CO^c + H^c₂ + CH^c₄ + C_mH_n^c + N^c₂ + O^c₂ = 100%  ,

 

то состав влажного газа (р.м.т.) в объемных процентах определяется по формулам:

;

 

;

.

 

Задача 1.

Дано: .

Найти: р.м.т.

Решение:

Проверка:

.

81,45 + 1,81 + 2,715 + 2,2625 + 2,2625 + 9,554 = 100,054» 100%.

Ответ: рабочая масса топлива 100%.

 

Задача 2.

Дано: .

Найти: р.м.т.

Решение:

Проверка:

77,3177 + 2,72886 + 3,63848 + 2,27405 + 5,00291 + 9,04176 = 100,004» 100%.

Ответ: рабочая масса топлива 100%.

Тема 1.2 Методы определения теплоты сгорания

 

Теплота сгорания топлива – это количество тепла, выделяющееся при сжигании одной единицы топлива. [кДж/кг] – твердое, жидкое топливо; [кДж/м³] – газообразное топливо.

Различают высшую и низшую теплоты сгорания топлива:

  , .

- пар конденсируется в жидкость с выделением теплоты парообразования.

- влага остается в виде пара. Низшая теплота сгорания больше соответствует действительному положению, так как практически при сжигании топлива пары воды в газообразном состоянии уносятся с продуктами сгорания.

Для нагрева 1кг воды требуется 2516 кДж.

Разность между и  сгорания на 1кг рабочего топлива составляет:

 

 -  = 2516(.

 

Если W₁ и H выражены в процентах, то уравнение принимает вид:

 

 -  = 25,16(

 

При расчете теплоты сгорания топлива наилучшие результаты дает формула Д.И.Менделеева, принятая для всех видов твердого и жидкого топлива:

 

 =

 

Теплоту сгорания газа можно определить по следующей формуле:

 

=

 

Для сравнения различных видов топлива введено понятие условного топлива.

Условное топливо – топливо, теплота сгорания которого 29,3МДж/кг (это теплота сгорания донецкого каменного угля).

Тепловой эквивалент топлива – это величина, полученная в результате деления низшей теплоты сгорания топлива на теплоту сгорания условного топлива.